人間の視覚と触覚を深海につなぐ水中ロボット - 上海マグノリアブロッサムグループ

2022 年 7 月 21 日

テイラー・クボタ著、スタンフォード大学

今月、地中海の水面下約500メートル（約3分の1マイル）で、水中ロボットOceanOneKが沈没したイタリアの蒸気船ル・フランチェスコ・クリスピ号の上層階の手すりに向かって慎重に航行していたとき、スタンフォード大学のロボット工学者オウサマ・カティブ氏は、あたかも自分がそこにいるかのように感じた。

OceanOneK は人型の上半分とスリムな後ろ半分を備えており、水中での慎重な操縦を可能にする 8 つの多方向スラスターを備えています。ロボットの触覚 (タッチベース) フィードバックシステムと立体視は、制御船の上ではなく下で体験したであろうものと同等の、信じられないほど現実的な感覚を生み出しました。 OceanOneK ロボットの目を通して覗き込み、その手を通して感じたハティブ氏は、船の上とその周囲に、ピンクと緑、さびたオレンジ色の生命の万華鏡が層になっているのを認識しました。彼は水の抵抗を感じ、周囲の歴史的遺物の形状と近接性を識別できました。

「あなたはこの驚くべき構造物に非常に近づいており、それに触れると信じられないことが起こります。実際にそれを感じます」と工学部のウェイチャイ教授でスタンフォードロボット研究所の所長であるカティブ氏は語った。「人生でそのようなことは一度も経験したことがありませんでした。500メートルでクリスピに触れたのは私だと言えます。そして、実際に触って、感じました。」

これらの深さへの OceanOneK のミッションには 2 つの目的がありました。1 つは、これまで誰も行ったことのない場所を探索すること、もう 1 つは人間が活動できる場所から遠く離れたこれらの場所に、人間の感触、視覚、インタラクティブ性をもたらすことができることを示すことです。

OceanOneK は、地中海を巡る 2 回の複数の立ち寄り旅行中に多くの注目に値する冒険と成功を収めましたが、チームの最も重要な業績には、フランス文化省 (DRASSM) の水中考古学研究の元責任者であるミシェルルール氏、ヴァンサンクルーゼ氏が含まれていました。モンペリエ大学の LIRMM の研究員、DRASSM の Denis Degez と Franca Cibecchini、および船の乗組員は、水深 1,000 m 近くで機能的自律性を実証していました。この進歩により、OceanOne は OceanOneK に名前変更されました。

「ロボットがこれほどの深さまで進み、環境と対話し、人間のオペレーターがその環境を感じることができるようになったのはこれが初めてです」とカティブ氏は述べた。「素晴らしい旅でした。」

2月のクリスピ号への潜水は、2021年9月に始まったOceanOneKの地中海の複数寄港地ツアーの一環で、マルセイユ近郊で40メートル（約130フィート）の第二次世界大戦中のP-38ライトニング航空機と潜水艦までの2か所に立ち寄った。、ル・プロテ、標高124メートル（約400フィート）。 3番目はコルシカ島アレリアにある標高334メートル（約1100フィート）の2世紀ローマの船で、クリスピ号が次だった。

その後、適切な天候を求めてチームはカンヌに向かった。そこでは、ロボットのブームカメラが、地上 67 m (200 フィート以上) にあるビーチクラフトバロン F-GDPV 航空機のコックピット内部を観察する際に初めて使用されました。最後の潜水は 852 メートル (0.5 マイル以上下流) まで進み、そこでスラスターのチェックのために一時停止したところ、残念なことにチームはロボットが上昇できないことに気づきました。 OceanOneK は完全に機能していましたが、上部に接続されている通信および電力線の周囲の浮遊物が崩壊し、長くて重い線がロボットの上に積み上げられたままになりました。緩みを取り戻して、彼らは潜水を続けることができた。

記念の目印として、OceanOneK は海底に次のような銘板を設置しました。

ロボットが深海底に初めて触れる人間が探索できる広大な新世界

OceanOneK ロボットの 1 km 地点への遠征は長い時間がかかりました。それは、研究室の他のチームメンバーとの数え切れないほどの時間の設計、実験、組み立てから始まり、デバッグのためにスタンフォードのプールへ何十回も行き、現実世界の予測不能性に直面する前に学ぶべき無数の教訓がありました。

OceanOneK の前身である OceanOne は、最大でも約 200 m の深さに到達するように設計されていました。ロボットをさらに深くするために、研究者らはその本体にガラス微小球でできた特殊な発泡体を装着し、浮力を提供しながら深さ1kmの巨大な圧力（海面での経験の100倍を超える圧力）に耐えることができるようにした。さらに、ロボットのアームには、外部の圧力に合わせてオイルを圧縮するオイルとスプリング機構が充填されており、崩壊を防ぎ、電子機器の衝撃を和らげます。研究者らはまた、個々の部品に存在する圧縮空気の量を最小限に抑え、ロボットを可能な限りコンパクトに保つために、OceanOne 全体の多くの小さなコンポーネントを更新しました。

OceanOneK は、腕と頭の動きの多様性を高める追加の機能強化と、2 つの新しいタイプの手を特徴としていました。1 つはスタンフォード大学の Mark Cutkosky の研究室によって開発され、もう 1 つはピサ大学とイタリア工科大学 IIT の Antonio Bicchi 教授によって開発されました。

ここ数年、スタンフォード大学のエイブリー・レクリエーション・プールで泳いでいた人たちは、研究者たちがさまざまな操作を試したり、ツールを使って実験したりしている間、OceanOneK が水を浴びているのを目にしたかもしれません。ツールには、物体を運ぶための箱と、狭くてアクセスできない空間、つまりロボットが立ち入ることができない空間の内部を見ることができるブームに取り付けられたビデオカメラが含まれていました。

「新型コロナウイルス感染症の影響下で、週に2回、何か月もテストを続けました」と、同じくスタンフォード・ロボット工学研究所の大学院生であるエイドリアン・ピエドラ氏は、タッチ、コントロール、視覚などすべてが問題なく動作するまで問題を繰り返しながら語った。

このような準備はさまざまな面で功を奏しましたが、特にチームが最初の遠征中に OceanOneK の障害を負った腕を修理する必要があったときに効果を発揮しました。「そのためには、夜間、風下、嵐の中、ボートの甲板上でロボットをばらばらにする必要がありました」とハティブ氏は語った。「私たちの英雄的な生徒、エイドリアン・ピエドラとウェスリー・グオは、休みなくロボットの修理に取り組んでいました。」ハティブ氏によれば、彼らの粘り強さ、決意、そして最終的な成功は、乗船していた全員を驚かせたという。

「ロボットには非常に多くの機能があり、相互に関連するコンポーネントが非常に多いため、1つの部品が壊れると、分解、修理、再組み立てに丸1日かかるかもしれません」と旅行したスタンフォードロボティクス研究所の大学院生、ボー・キム氏は語った。 OceanOne と協力し、OceanOneK のためにキャンパスから協力しました。「遠征を成功させるには、すべてが融合し、同時に機能する必要があり、それは本当に難しいことです。」

この夏、チームは最初の訪問ではいくつかの困難があったものの、ローマ船とクリスピ号にダイビングする二度目のチャンスがありました。最初にローマの船と対話したとき、チームは船からオイルランプを回収しようとしましたが、失敗しました。 2月のクリスピではアームの故障によりブームカメラが使用できなかった。 7 月のダイビングでは、すべてのシステムが正常に動作しました。

OceanOneK は、今度はチームの考古学者の指導の下、再びローマの船に潜り、これまで DRASSM のコレクションに載っていないものも含め、ローマ帝国時代の貴重な古代の壺をいくつか引き上げることに成功しました。これらは製造業者の名前とラベルがまだ残っているという点で例外的な発見であり、慎重な超深度のアーティファクト回収の利点を実証しています。

クリスピ号への2度目の潜水で、ハティブさんは破断端に触れないように注意しながら、ブームカメラを船の割れた船体に伸ばした。チームの海洋生物学者は彼を案内し、外側のサンゴが内側のさび状物（つらら状のさびの形成）に取って代わられる様子を熱心に観察しました。これは、約80年間にわたる細菌と船の鉄との相互作用の影響を示していました。

ピエドラ氏は、今になって振り返ってみると、彼らが乗り越えた課題がどれほど大きかったか、そして彼らが成し遂げた仕事がどれほど偉大なものだったか、全体像が見え始めたと語った。

「私たちは遠征のためにはるばるフランスまで行き、そこでさまざまな背景を持ったはるかに大規模なチームに囲まれると、スタンフォード大学で取り組んできたこのロボットの一部が実際には何かの一部であることに気づきます。はるかに大きい」と彼は言った。「これがどれほど重要であるか、このダイビングがどれほど斬新で重要なものになるか、そしてこれが科学全体にとって何を意味するかがわかります。」

OceanOne プロジェクトは、ハプティクス、水中ロボット工学、人間とロボットのインタラクションにおける高度なイノベーションを具体化するだけでなく、ボートや橋脚や水没したパイプラインなどのインフラの検査と修理など、海洋科学や水中工学活動の新たな機会も具体化しています。

このほかにも、深い湖やサンゴ礁に埋もれた失われた都市、人間の手の届かない深さにある考古学的に重要な沈没船など、世界中のさまざまな場所で遠征が計画されており、OceanOneKは過去を理解するユニークな機会を提供しています。

「危険で到達不可能な空間から人間を物理的に遠ざけながら、人間のスキル、直感、経験をタスクに結びつけることは、リモートワークを根本的に変えることを約束します」とカティブ氏は述べた。「ロボットのアバターは、海や鉱山の奥深く、山の頂上、あるいは宇宙であっても、資材を検索して入手し、インフラを構築し、災害防止と復旧活動を実行します。」

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